全 文 :书结缕草属植物犛犚犃犘-犘犆犚体系的建立和优化
薛丹丹1,2,郑轶琦2,王志勇2,郭海林2,陈宣2,刘建秀2
(1.南京农业大学园艺学院,江苏 南京210095;2.江苏省中国科学院植物研究所,江苏 南京210014)
摘要:以SDS法提取的结缕草属植物叶片DNA为模板,分别采用单因子试验和正交设计试验2种方法,对影响结
缕草属植物SRAP-PCR的 Mg2+、dNTP、引物、TaqDNA聚合酶和模板DNA五个因素进行优化试验。单因子试
验分别研究各因素在多水平条件下对SRAP-PCR反应体系的影响,得到最佳反应条件。正交设计采用L16(45)
方案,综合考虑各因素间的相互作用,通过直观分析法获得各影响因素的最佳反应水平。根据4对引物对6份结
缕草属植物材料扩增结果的验证比较,2种方法所获得的最佳反应体系存在一定的差异。通过综合比较和分析2
种方法的优化体系扩增出的条带数、多态性条带数及多态性比率,最终建立了结缕草属植物SRAP-PCR的最佳
反应体系:Mg2+2.00mmol/L、dNTP220μmol/L、引物0.20μmol/L、TaqDNA聚合酶0.50U、模板DNA60ng、2
μL10×buffer,总体积为20μL。这一优化体系的建立为今后利用SRAP标记技术进行结缕草属植物遗传多样性、
种质鉴定、遗传连锁图谱及亲缘关系分析等方面的研究提供了科学的依据。
关键词:结缕草属植物;SRAP标记;单因子试验;正交设计;体系优化
中图分类号:S543+.901;Q94633 文献标识码:A 文章编号:10045759(2008)06009309
结缕草属(犣狅狔狊犻犪)为禾本科画眉草亚科的多年生草本植物,是一种优良的暖季型草坪草,广泛分布于太平洋
西岸和北岸沿海地区,主要分布于亚洲,在澳洲等温暖地区亦有分布。目前一般认为结缕草属植物分为11个种
和若干变种、变形。我国有5种,2变种,1变型,5种分别为大穗结缕草(犣.犿犪犮狉狅狊狋犪犮犺狔犪)、中华结缕草(犣.狊犻狀犻
犮犪)、日本结缕草(犣.犼犪狆狅狀犻犮犪)、沟叶结缕草(犣.犿犪狋狉犲犾犾犪)、细叶结缕草(犣.狋犲狀狌犻犳狅犾犻犪),2变种为长花结缕草(犣.
狊犻狀犻犮犪var.nipponica)和青结缕草(犣.犼犪狆狅狀犻犮犪var.polida),1变型为大穗日本结缕草(犣.犼犪狆狅狀犻犮犪f.mac
rostachya)[1,2]。结缕草属植物具有发达的地下茎和匍匐茎,耐旱、耐寒、耐盐碱,病虫害较少,弹性和耐磨性较
强,是国内外公认的典型的环保型草坪草,可广泛应用于观赏草坪、休憩草坪、运动草坪以及保土草坪上。
近年来随着分子生物学和生化技术的不断发展,分子标记技术在草坪草研究中的应用也越来越广泛。在结
缕草属植物的研究中,RFLP(restrictionfragmentlengthpolymorphism,限制片段长度多态性)[3]、RAPD(ran
domamplifiedpolymorphicDNA,随机扩增多态性DNA)[4~7]、SSR(simplesequencerepeats,DNA简单序列重
复)[8,9]、AFLP(amplifiedrestrictionfragmentpolymorphism,扩增片段长度多态性)[10~12]、ISSR(intersimple
sequencerepeat,简单序列重复区间扩增)[13,14]标记在亲缘关系鉴定[4]、遗传分析[5~7,12,14]、指纹图谱[8,13]及遗传
连锁图谱[3,9~11]、体系优化[15]等应用中均有报道。这些标记虽使草坪草分子标记技术得到了突飞猛进的发展,但
各有优缺点。一种基于PCR(polymerasechainreaction,聚合酶链式反应)的新型分子标记技术———SRAP(se
quencerelatedamplifiedpolymorphism,相关序列扩增多态性)标记[16]的发明和应用弥补了以上分子标记的不足
且具备了它们的优点。SRAP标记是根据基因外显子中丰富的GC(鸟嘌呤、胞嘧啶)含量和内含子、启动子中丰
富的TA(腺嘌呤、胸腺嘧啶)含量的特点,利用独特的引物设计对ORFs(openreadingframes,开放阅读框架)进
行扩增,因不同个体间的外显子、内含子和启动子的不同而产生多态性。SRAP标记简单、稳定可靠、重复性好、
多态性高、在基因组中分布均匀、引物非特异性等优点使其在多种植物中得到广泛的应用,目前已在水稻(犗狉狔狕犪
狊犪狋犻狏犪)[17]、小麦(犜狉犻狋犻犮狌犿犪犲狊狋犻狏狌犿)[18]、玉米(犣犲犪犿犪狔狊)[19]、甘薯(犇犻狅狊犮狅狉犲犪犲狊犮狌犾犲狀狋犪)[20]、棉花(犌狅狊狊狔狆犻狌犿
第17卷 第6期
Vol.17,No.6
草 业 学 报
ACTAPRATACULTURAESINICA
93-101
12/2008
收稿日期:20071224;改回日期:20080307
基金项目:江苏省科技攻关项目(BE2006339),国家自然科学基金项目(30571307)和江苏省高技术项目(BG2006320)资助。
作者简介:薛丹丹(1982),女,河南济源人,硕士。Email:yz129@163.com
通讯作者。Email:turfunit@yahoo.com.cn
犺犻狉狊狌狋狌犿)[21]、油菜(犅狉犪狊狊犻犮犪犮犪犿狆犲狊狋狉犻狊)[22]、黄瓜(犆狌犮狌犿犻狊狊犪狋犻狏狌狊)[23]、野牛草(犅狌犮犺犾狅犲犱犪犮狋狔犾狅犻犱犲狊)[24,25]等植
物中使用,主要应用遗传多样性、指纹图谱、纯度鉴定、资源亲缘关系分析、连锁图谱构建、基因定位、比较基因组
学研究等领域。目前在草坪草的研究中,SRAP分子标记技术应用的相关报道甚少。
PCR反应体系优化的方法主要有单因子试验和正交设计试验。单因子试验是通过研究PCR反应中的各影
响因素的影响情况,获得各自的最适条件,通过各因素的组合建立PCR的最佳反应体系。目前,该方法已普遍应
用于不同标记的PCR体系优化。正交设计试验是由何正文等[26]最先提出用于PCR体系优化中的,该方法综合
考虑PCR反应体系中各因素的相互作用,并可以快速找到最佳的反应条件,获得满意的优化体系并且可以缩短
试验时间和成本。目前,这2种方法同时在PCR体系优化中的应用较少,仅在紫椴(犜犻犾犻犪犪犿狌狉犲狀狊犻)[27]的ISSR
-PCR优化中有相关报道,而在SRAP-PCR反应体系中尚未见到相关文章。
本研究首次利用单因子试验和正交设计2种方法对结缕草属植物SRAP体系中的 Mg2+、dNTP、引物浓度、
Taq酶及模板DNA浓度进行优化,试图建立起一个能够稳定扩增、条带清晰、多态性高的体系,并通过比较2种
优化方法,以期筛选出较为理想的优化体系,从而建立结缕草属植物SRAP-PCR的最佳反应体系,为以后PCR
反应体系的优化提供一定的参考。同时,该研究也将为SRAP标记在进行结缕草属植物种源鉴定、遗传多样性、
指纹图谱、连锁图谱及基因定位等方面的研究提供较为可靠的技术支持。
1 材料与方法
1.1 试验材料
试验材料为结缕草属植物结缕草、中华结缕草、沟叶结缕草的3个种5份种源和1份杂交后代(表1),均取
自江苏省中国科学院植物研究所草业中心种质资源圃(北纬32°02′,东经118°28′,海拔30~40m)。其中Z313
用于体系优化,其他材料用作体系验证。
表1 试验材料的名称和来源
犜犪犫犾犲1 犖犪犿犲狊犪狀犱狊狅狌狉犮犲狊狅犳犲狓狆犲狉犻犿犲狀狋犪犾犿犪狋犲狉犻犪犾狊
编号Code 种名Species 来源Sources 北纬Latitude 东经Longitude
Z022 日本结缕草犣.犼犪狆狅狀犻犮犪 山东胶州湾Jiaozhouwan,Shandongprovince 36°26′ 120°00′
Z068 中华结缕草犣.狊犻狀犻犮犪 安徽南陵Nanling,Anhuiprovince 30°54′ 118°10′
Z105 中华结缕草犣.狊犻狀犻犮犪 山东烟台Yantai,Shandongprovince 37°30′ 121°24′
Z119 日本结缕草犣.犼犪狆狅狀犻犮犪 江苏响水 Xiangshui,Jiangsuprovince 34°12′ 119°34′
Z123 沟叶结缕草犣.犿犪狋狉犲犾犾犪 美国引进 America - -
Z313 日本结缕草×细叶结缕草
犣.犼犪狆狅狀犻犮犪×犣.狋犲狀狌犻犳狅犾犻犪
日本结缕草(江西)和细叶结缕草(南京)的杂交后代
Hybridof犣.犼犪狆狅狀犻犮犪(Jiangxi)and犣.狋犲狀狌犻犳狅犾犻犪(Nanjing)
- -
1.2 试验方法
1.2.1 基因组DNA的提取和检测 材料DNA的提取采用SDS法(sodiumdodecylsulfate,十二烷基磺酸钠),
并稍做修改。采用0.8%琼脂糖凝胶电泳检测基因组DNA的质量和浓度(电泳仪为DYCP34型,电泳槽为
DYY5型)。电泳结束后,在自动凝胶图像分析仪(上海培清科技有限公司JS380)上观测,确定DNA浓度并拍
照。最后将样品DNA浓度稀释到50ng/μL并于-20℃保存。
1.2.2 SRAP-PCR单因子试验 对SRAP-PCR体系中的5个因素分别进行多水平的优化,其中 Mg2+有10
个水平梯度、dNTP和DNA有9个浓度梯度、TaqDNA聚合酶和引物2因素在8个水平上筛选,方案如表2。
SRAP引物购自上海博亚生物技术有限公司,dNTP和TaqDNA聚合酶购自南京申能博彩公司,DNAmarker
购自南京TaKaRa公司。
1.2.3 SRAP-PCR反应体系正交设计 采用L16(45)正交试验设计,对Mg2+、dNTP、引物、TaqDNA聚合酶、
DNA进行5因素4水平筛选,方案如表3和4。
49 ACTAPRATACULTURAESINICA(Vol.17,No.6) 12/2008
表2 犛犚犃犘-犘犆犚体系单因子试验
犜犪犫犾犲2 犛犻狀犵犾犲犳犪犮狋狅狉狋犲狊狋狅犳犛犚犃犘-犘犆犚狊狔狊狋犲犿
因素Factors 水平Levels
Mg2+(mmol/L) 0.25 0.50 0.75 1.00 1.25 1.50 1.75 2.00 2.50 3.00
引物Primer(μmol/L) 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40
TaqDNA聚合酶
TaqDNApolymerase(U)
0.25 0.50 0.75 1.00 1.25 1.50 1.75 2.00
dNTP(μmol/L) 150 180 200 220 240 260 280 300 320
DNA(ng) 10 20 30 40 50 60 70 80 90
表3 犛犚犃犘-犘犆犚体系的因素-水平
犜犪犫犾犲3 犉犪犮狋狅狉狊犪狀犱犾犲狏犲犾狊狅犳犛犚犃犘-犘犆犚狊狔狊狋犲犿
水平
Levels
因素Factors
Mg2+(mmol/L) dNTP(μmol/L) 引物Primer(μmol/L) TaqDNA聚合酶 TaqDNApolymerase(U) DNA(ng)
1 1.25 200 0.10 0.50 30
2 1.50 220 0.15 0.75 40
3 1.75 240 0.20 1.00 50
4 2.00 260 0.25 1.50 60
表4 犛犚犃犘-犘犆犚[犔16(45)]正交试验设计
犜犪犫犾犲4 [犔16(45)]犗狉狋犺狅犵狅狀犪犾犱犲狊犻犵狀犳狅狉犛犚犃犘-犘犆犚
编号
Note
因素Factors
Mg2+(mmol/L) dNTP(μmol/L) 引物Primer(μmol/L) TaqDNA聚合酶 TaqDNApolymerase(U) DNA(ng)
1 1.25 200 0.10 0.50 30
2 1.25 220 0.15 0.75 40
3 1.25 240 0.20 1.00 50
4 1.25 260 0.25 1.50 60
5 1.50 200 0.15 1.00 60
6 1.50 220 0.10 1.50 50
7 1.50 240 0.25 0.50 40
8 1.50 260 0.20 0.75 30
9 1.75 200 0.20 1.50 40
10 1.75 220 0.25 1.00 30
11 1.75 240 0.10 0.75 60
12 1.75 260 0.15 0.50 50
13 2.00 200 0.25 0.75 50
14 2.00 220 0.20 0.50 60
15 2.00 240 0.15 1.50 30
16 2.00 260 0.10 1.00 40
1.2.4 SRAP-PCR扩增程序及扩增产物的检测 SRAP-PCR扩增程序为:94℃预变性4min;94℃变性1
min,37℃退火1min,72℃延伸10s,5个循环;94℃变性1min,50℃退火1min,72℃延伸10s,35个循环;循环
结束后,72℃延伸7min,4℃保存。扩增反应在英国TECHNE公司的TC412型PCR仪上进行。
59第17卷第6期 草业学报2008年
扩增结束后,在扩增产物中加入2μL6×loadingBuffer缓冲液混匀,上样于10%的聚丙烯酰胺凝胶进行分
离(电泳仪为DYY8B型,电泳槽为JYSCZ6型),电泳结束后快速银染检测。
1.2.5 SRAP引物组合的筛选 在体系优化前,先用 Mg2+1.50mmol/L、dNTP285μmol/L、引物0.15
μmol/L、TaqDNA酶1.0U、DNA50ng体系进行引物的初步筛选,用于筛选的模板DNA为Z313和Z123。引
物为5条正向引物和10条反向引物,共组合成50对SRAP引物,其序列见表5。筛选出较好的引物组合之一
Me5+Em7用于体系优化。
2 结果与分析
2.1 参试材料基因组DNA的检测结果
对6份材料的DNA浓度和质量进行检测,结果表明,参试材料的基因组DNA质量和浓度都较好,满足本试
验的要求(图1)。
2.2 SRAP-PCR单因子试验扩增结果分析
2.2.1 Mg2+浓度对SRAP体系的影响 Mg2+是PCR反应体系中的重要影响因子之一。Mg2+浓度对PCR扩
增效率和特异性都有影响,它是Taq酶的激活剂,影响Taq酶的活性,同时又与dNTP和模板结合,降低了酶活
性所需要的游离 Mg2+的量。Mg2+过多会增加产量,但会出现非特异扩增;过少会降低Taq酶的活性,使反应产
物减少。因此SRAP-PCR反应体系中 Mg2+浓度就显得很重要。在该体系中 Mg2+有10个浓度梯度(图2A)。
Mg2+浓度为0.25~1.25mmol/L(泳道1~5)几乎无扩增产物,当浓度为1.50mmol/L时仅有2条很弱的条带;
随着浓度的逐渐升高,扩增条带逐渐丰富且清晰,1.75mmol/L的多态性好但条带比较细,说明该浓度较低,扩
增产物的量较少,当 Mg2+浓度为2.00,2.50和3.00mmol/L时,3个水平的扩增结果无显著差异,综合比较,
Mg2+浓度为2.00mmol/L时扩增效果最好,条带清晰,带型丰富,多态性好。
表5 犛犚犃犘引物序列
犜犪犫犾犲5 犘狉犻犿犲狉狊犲狇狌犲狀犮犲狊狌狊犲犱犳狅狉犛犚犃犘犪狀犪犾狔狊犻狊
编号Code 正向引物Forwardprimers 编号Code 反向引物Reverseprimers
Me1 5′TGAGTCCAAACCGGATA3′ Em1 5′GACTGCGTACGAATTCAA3′
Me2 5′TGAGTCCAAACCGGAGC3′ Em2 5′GACTGCGTACGAATTCTG3′
Me3 5′TGAGTCCAAACCGGACC3′ Em3 5′GACTGCGTACGAATTGAC3′
Me4 5′TGAGTCCAAACCGGACA3′ Em4 5′GACTGCGTACGAATTTGA3′
Me5 5′TGAGTCCAAACCGGTGC3′ Em5 5′GACTGCGTACGAATTAAC3′
Em6 5′GACTGCGTACGAATTGCA3′
Em7 5′GACTGCGTACGAATTGAG3′
Em8 5′GACTGCGTACGAATTGCC3′
Em9 5′GACTGCGTACGAATTTCA3′
Em10 5′GACTGCGTACGAATTCAT3′
图1 参试材料犇犖犃原液(左)及稀释为50狀犵/μ犔(右)的犇犖犃电泳检测
犉犻犵.1 犈犾犲犮狋狉狅狆犺狅狉犲狊犻狊狅犳犵犲狀狅犿犻犮犇犖犃(犾犲犳狋)犪狀犱犻狋狊50狀犵/μ犔犱犻犾狌狋犻狅狀(狉犻犵犺狋)狅犳犲狓狆犲狉犻犿犲狀狋犪犾犿犪狋犲狉犻犪犾
图中编号1~6分别为材料Z022、Z068、Z105、Z119、Z123、Z313,编号7为λDNA
Number1-6refertoZ022、Z068、Z105、Z119、Z123、Z313,7referstoλDNA
69 ACTAPRATACULTURAESINICA(Vol.17,No.6) 12/2008
2.2.2 dNTP浓度对SRAP体系的影响 高浓度的dNTPs会对PCR扩增反应起到抑制作用,而浓度过低又会
影响扩增产率。本研究在其他条件不变的前提下设定9个dNTPs浓度梯度(图2B)。在浓度为150,180和200
μmol/L时条带清晰,220和240μmol/L条带减少,仅1条。浓度超过240μmol/L扩增条带有所增加但比较模
糊。经比较在20μL体系中dNTP浓度为200μmol/L时扩增条带清晰且丰富。
2.2.3 引物浓度对SRAP体系的影响 引物浓度会影响PCR扩增的特异性。较高的引物浓度会导致非特异性
产物扩增;过低则影响扩增效果。本研究设置8个引物浓度梯度(图2C)。浓度为0.05μmol/L时条带少且不清
晰,说明扩增产率低,浓度为0.10~0.40μmol/L时随浓度的逐渐增加,扩增条带也逐渐清晰且稳定。为节省起
见,本研究采用在20μL体系中加入0.15μmol/L引物的设计。
2.2.4 TaqDNA聚合酶浓度对SRAP体系的影响 TaqDNA酶浓度过低不能扩增,浓度太高产生非特异性扩
增。选择TaqDNA聚合酶浓度时主要考虑到扩增效果和成本。本研究设定8个TaqDNA聚合酶浓度梯度(图
2D),TaqDNA聚合酶为0.25U时扩增产物少,条带少;0.50,0.75和1.25U的条带增加且较清晰;1.00U的
条带丰富且清晰;1.50,1.75和2.00U虽条带丰富但稍弱。综合考虑其扩增效果和成本,本体系确定TaqDNA
聚合酶浓度为1.00U。
2.2.5 DNA浓度对SRAP体系的影响 在本研究中设定了9个DNA浓度梯度(图2E),除了DNA浓度为10
和20ng时扩增条带少且有非特异带出现外,30~90ng的扩增结果都无太大的差异,条带都较清晰和稳定。这
说明SRAP标记对模板DNA浓度的范围要求较宽,经过比较和综合考虑,最后确定DNA浓度为50ng。
图2 不同浓度水平 犕犵2+、犱犖犜犘狊、引物、犜犪狇犇犖犃聚合酶和犇犖犃的犛犚犃犘-犘犆犚电泳图谱
犉犻犵.2 犛犚犃犘-犘犆犚狑犻狋犺犱犻犳犳犲狉犲狀狋犮狅狀犮犲狀狋狉犪狋犻狅狀狅犳犕犵2+、犱犖犜犘狊、狆狉犻犿犲狉狊、犜犪狇犇犖犃狆狅犾狔犿犲狉犪狊犲犪狀犱犇犖犃
M:Mark;A:1~10泳道分别为 Mg2+浓度 Mg2+concentrationsfromlane1to10are0.25,0.50,0.75,1.00,1.25,1.50,1.75,2.00,2.50,3.00
mmol/L);B:1~9泳道分别为dNTP浓度dNTPconcentrationsfromlane1to9are150,180,200,220,240,260,280,300,320μmol/L;C:1~8泳道
分别为引物浓度Primerconcentrationsfromlane1to8are0.05,0.10,0.15,0.20,0.25,0.30,0.35,0.40μmol/L;D:1~8泳道分别为TaqDNA聚
合酶浓度 TaqDNApolymeraseconcentrationsfromlane1to8are0.25,0.50,0.75,1.00,1.25,1.50,1.75,2.00U;E:1~9泳道分别为DNA浓度
DNAconcentrationsfromlane1to9are10,20,30,40,50,60,70,80,90ng
79第17卷第6期 草业学报2008年
2.3 SRAP-PCR正交设计试验结果分析
图3 犛犚犃犘-犘犆犚体系正交试验设计扩增结果
犉犻犵.3 犃犿狆犾犻犳犻犲犱狉犲狊狌犾狋狊狅犳犛犚犃犘-犘犆犚
狅狉狋犺狅犵狅狀犪犾犱犲狊犻犵狀犱犻犪犵狉犪犿
1~16为处理编号,见表4
1-16aretreatmentcode,shownintable4;M:Mark
结缕草SRAP-PCR体系优化的正交试验16
个组合的扩增结果如图3所示。参照何正文等[26]
的方法,对扩增结果进行直观分析,依据谱带的强弱
及杂带的多少,将16个处理结果划分为16个评分
等级以便统计分析,从1~16泳道依次计分为6,1,
8,2,3,9,4,7,5,16,11,10,13,14,15和12。得分最
高的10和15组合因有杂带,不宜采用;得分较高的
13和14组合带型清晰,亮度高,且杂带少,扩增效
果最好;但比较分析2个组合不同组分浓度差异,组
合13的20μL反应体系中TaqDNA 聚合酶的用
量为0.75U,而组合14为0.50U,综合考虑试验的
效果和成本,最终选择第14组合为结缕草基因组
SRAP-PCR的最佳反应体系,即20μL反应体系中含有 Mg
2+ 2.00mmol/L、dNTP220μmol/L、引物0.20
μmol/L、TaqDNA聚合酶0.50U、DNA60ng。
根据穆立蔷等[27]的方法,对正交设计试验中的各组分浓度组合进行分析(表6)。其中犓 值表示各因素同一
水平下的试验值之和;犽值代表每一因素水平下的平均值;犚值为极差,即各因素在不同水平下的最大平均值与
最小平均值之差。极差犚值的大小反应了影响因子对反应体系结果的影响大小,犚值越大,影响越显著。在选
定的4个水平范围内,Mg2+、dNTP、引物、TaqDNA 聚合酶和模板DNA五个因素对结果的影响由大到小依次
为:Mg2+>DNA>dNTP>引物>TaqDNA聚合酶。犽值反应了影响因素各水平对反应体系的影响情况,犽值
越大,反应水平越好。Mg2+以水平4好,dNTP以水平2好,引物以水平1好,TaqDNA聚合酶以水平3好,
DNA以水平1好(表6)。这五因素的最佳反应体系为:Mg2+ 2.00mmol/L、dNTP220μmol/L、引物0.10
μmol/L、TaqDNA聚合酶1.00U,模板DNA30ng。此最佳水平组合没有在正交设计表中出现,但与直观分析
中分值最高的10组合最接近,仅Mg2+和引物浓度不同;其次和14,15组合较接近。该结果与直观分析法的结果
基本一致,进一步确定组合14为最优组合体系。
2.4 2种方法反应体系的验证结果
根据以上2种方法的最佳优化体系,用4对引物 Me1+Em2、Me2+Em3、Me4+Em3、Me1+Em8,6份材料
(Z313、Z119、Z123、Z022、Z068、Z105)对两体系进行验证,两体系的扩增结果如图4所示。经直观比较,2个优
化反应体系差别不是很大,都能扩增出清晰丰富、特异性高且具有很好稳定性的条带。为了更好地验证2种方法
表6 正交试验结果的统计分析
犜犪犫犾犲6 犛狋犪狋犻狊狋犻犮狉犲狊狌犾狋狅犳狋犺犲狅狉狋犺狅犵狅狀犪犾犱犲狊犻犵狀
结果Results Mg2+(mmol/L) dNTP(μmol/L) 引物Primer(μmol/L) TaqDNA聚合酶TaqDNApolymerase(U) DNA(ng)
犓1 17.00 27.00 38.00 34.00 44.00
犓2 23.00 40.00 29.00 32.00 22.00
犓3 42.00 38.00 34.00 39.00 40.00
犓4 54.00 31.00 35.00 31.00 30.00
犽1 4.25 6.75 9.50 8.50 11.00
犽2 5.75 10.00 7.25 8.00 5.50
犽3 10.50 9.50 8.50 9.75 10.00
犽4 13.50 7.75 8.75 7.75 7.50
犚 9.25 3.25 2.25 2.00 5.50
89 ACTAPRATACULTURAESINICA(Vol.17,No.6) 12/2008
所得出的2种反应体系,本试验通过4对引物组合对6份结缕草属植物材料所扩增出的条带数和多态性进行比
较(表7)。结果表明,1)在这4对引物组合中,正交设计试验的扩增条带数大多多于或等同于单因子试验,仅引
物组合6的条带数比单因子试验少1条,但其多态性比率(66.7%)却高于单因子试验(57.1%)。2)正交设计试
验扩增出的多态性条带数都多于或等同于单因子试验。3)在2种方法的多态性比率的比较中,正交设计试验中
仅引物组合14的比率(44.4%)稍低于单因子试验(50.0%),其他3对引物组合的多态性比率均高于单因子试
验。
因此,最终确定本研究的最佳优化体系为正交设计试验的反应体系即 Mg2+2.00mmol/L、dNTP220
μmol/L、引物0.20μmol/L、TaqDNA酶0.50U、模板DNA60ng、2μL10×buffer。在4对不同引物的扩增条
件下,6份结缕草属植物材料都在分子水平上表现出明显的多态性差异,多态性位点数目多,表明该体系可以有
效地反应出结缕草属种源和后代间的差异,同时也可以对不同结缕草属植物的基因组进行SRAP扩增。
图4 2种不同方法的优化反应体系比较结果
犉犻犵.4 犆狅犿狆犪狉犪狋犻狏犲狉犲狊狌犾狋狊狅犳狋狑狅犱犻犳犳犲狉犲狀狋犿犲狋犺狅犱狊犻狀狅狆狋犻犿犻狕犲犱狊狔狊狋犲犿
M:Mark;4对引物Fourpairsofprimers:Me1+Em2、Me2+Em3、Me4+Em3、Me1+Em8;6份材料依次Six犣狅狔狊犻犪materialsare:Z313、Z119、
Z123、Z022、Z068、Z105;Mark的左边为单因素-多水平体系,右边为正交试验设计体系LeftofMarkissingle-multilevelssystem;RightofMarkis
orthogonaldesignsystem
表7 2种不同方法的优化体系中4对引物组合的扩增结果多态性比较
犜犪犫犾犲7 犘狅犾狔犿狅狉狆犺犻狊犿犮狅犿狆犪狉犲狅犳狋犺犲狉犲狊狌犾狋犪犿狆犾犻犳犻犲犱犫狔犳狅狌狉狆狉犻犿犲狉犮狅犿犫犻狀犪狋犻狅狀狊
狑犻狋犺狋狑狅犱犻犳犳犲狉犲狀狋犿犲狋犺狅犱狊犻狀狅狆狋犻犿犻狕犲犱狊狔狊狋犲犿
引物组合
Primer
combination
单因子试验Singlefactortest
扩增条带数
Numberof
bands
多态性条带数
Numberofpolymorphic
bands
多态性比率
Polymorphism
rate(%)
正交设计试验Orthogonaldesigntest
扩增条带数
Numberof
bands
多态性条带数
Numberofpolymorphic
bands
多态性比率
Polymorphism
rate(%)
Me1+Em2 7 4 57.1 6 4 66.7
Me2+Em3 7 3 42.9 8 5 62.5
Me4+Em3 8 4 50.0 9 4 44.4
Me1+Em8 8 4 50.0 8 7 87.5
3 讨论
3.1 单因子试验和正交试验在结缕草属植物SRAP-PCR体系优化中的应用
本研究针对目前2种主要的PCR体系优化方法对结缕草属植物的SRAP反应体系进行了优化,结果发现二
者扩增结果存在的差异较小。单因子试验通过 Mg2+、dNTPs、引物、TaqDNA聚合酶、DNA等因素的多个水平
来确定各因素的最佳扩增结果,从而使各因素的最佳水平组合起来得到SRAP优化体系,但该方法在优化各因
99第17卷第6期 草业学报2008年
素的最佳水平时都要逐一变化其中一种因素浓度而固定其余4种,当变化一种因素的浓度时,固定的其余4种因
素的浓度往往靠经验或参考相近物种考虑,这样既不能考察PCR体系中各组分的交互作用,也不能完全保证各
组分最佳的组合就是最佳反应体系,且完成时间较长,成本较高。正交设计试验通过各因素的相互作用得到最佳
优化体系,与单因素试验相比,能通过直观分析法,快速获得满意的试验结果,减少处理组合,节约时间,减少工作
量也降低了试验经费。但也有学者指出该方法存在一定的局限性,如对试验结果的评价带有主观性,打分的次序
会直接影响分析结果,也不能很好地估计误差[27]。本研究中2种方法得到的各因素最佳水平不完全相同,这可
能与2种方法的优缺点有关。因此,今后PCR扩增条件及结果的客观评价体系的建立将是PCR反应体系优化
的重要依据,也将会更好地促进正交试验设计的应用。
3.2 结缕草属SRAP-PCR优化体系的建立
在PCR反应体系中各个影响因素之间都相互作用,影响最大的是体系中的 Mg2+、dNTP、引物的浓度[28,29]。
本研究的正交设计试验中各因素对反应体系的影响大小为:Mg2+>DNA>dNTP>引物>TaqDNA 聚合酶,此
结果表明结缕草属植物SRAP-PCR反应体系中各因素的影响作用与前人的结果基本一致。本研究通过单因
子试验和正交设计试验对结缕草属植物SRAP-PCR反应体系进行优化后,得到的最佳反应体系为:Mg2+2.00
mmol/L、dNTP220μmol/L、引物0.20μmol/L、TaqDNA聚合酶0.50U、模板DNA60ng,2μL10×buffer,总
体积为20μL。此最佳体系与标准PCR及他人的研究在各因素的浓度方面存在差异,这可能是由于不同植物的
基因组和标记类型不同造成的[27]。该反应体系的成功建立为今后SRAP标记在结缕草属植物的种源鉴定、遗传
多样性分析、指纹图谱及遗传图谱构建等方面的广泛应用奠定了重要基础,也促进了分子标记技术在草业遗传育
种和分子生物学研究中的进程。
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犈狊狋犪犫犾犻狊犺犿犲狀狋犪狀犱狅狆狋犻犿犻狕犪狋犻狅狀狅犳犛犚犃犘-犘犆犚狉犲犪犮狋犻狅狀狊狔狊狋犲犿犳狅狉犣狅狔狊犻犪
XUEDandan1,2,ZHENGYiqi2,WANGZhiyong2,GUOHailin2,CHENXuan2,LIUJianxiu2
(1.ColegeofHorticulture,NanjingAgriculturalUniversity,Nanjing210095,China;2.Instituteof
Botany,JiangsuProvinceandChineseAcademyofSciences,Nanjing210014,China)
犃犫狊狋狉犪犮狋:GeneticDNAof犣狅狔狊犻犪extractedbytheSDSmethodwasusedasatemplate.Themajorfactorsof
SRAP,suchasconcentrationsofMg2+,dNTPs,primers,TaqDNApolymerase,andDNAtemplate,wereop
timizedinthisstudybysinglefactortestsandorthogonaldesignoffivefactorsatfourlevels.Insinglefactor
tests,theimpactsoftheSRAP-PCRsystemwerestudiedforeachfactoratvariouslevels.Intheorthogonal
designtest,thecomponentsofSRAPwereconsideredcomprehensively,andasuitablelevelofeachfactorwas
obtainedbytheintuitionalanalysismethod.Comparingresultsoffourprimersandsixmaterialsvalidation,a
fewdifferenceswerefoundintheamplifiedelectrophoresisoftworeactionsystems.Acomprehensiveanddeep
analysisofthebands,polymorphicbandsandpolymorphismrateinthetwoamplifiedresultsresultedinanop
timisedSRAP-PCRsystemfor犣狅狔狊犻犪beingestablished:Mg2+2.0mmol/L,dNTP220μmol/L,primer0.2
μmol/L,TaqDNApolymerase0.5U,DNAtemplate60ng,10×buffer2μLinthe20μLvolumereaction.
TheoptimizedSRAP-PCRreactionsystemshowedthatSRAPmarkerscouldbewidelyusedforgeneticdiver
sity,germplasmidentification,constructionofgeneticlinkagemapsandrelativeanalysisin犣狅狔狊犻犪.
犓犲狔狑狅狉犱狊:犣狅狔狊犻犪;SRAPmarkers;singlefactortest;orthogonaldesign;optimizedsystem
101第17卷第6期 草业学报2008年